併合過程【降水過程】

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凝結だけでは雲粒はなかなか雨粒になりません。そこで大切なのが、水滴どうしがぶつかってくっつく併合過程です。この記事では、水滴の落ちる速さ（終端速度）から、衝突・併合のしくみ、暖かい雨と冷たい雨のちがいまでを説明します。

この記事のポイント

終端速度とは

水滴が落ち始めると、重力によってだんだん速くなります。一方、空気抵抗は落ちる速さが大きいほど大きくなります。やがて重力と空気抵抗がつり合うと、それ以上は速くならず、一定の速さで落ちるようになります。この速さを終端速度といいます。

半径がおよそ30μm以下の小さな水滴では、終端速度は次のストークスの式で表されます。

V ＝ 2ρgr² ／ (9η)

終端速度は半径の2乗に比例します。半径が2倍になれば、終端速度は4倍です。半径10μmの雲粒の終端速度は約1cm/sで、とてもゆっくり落ちます。雲粒がなかなか落ちてこないのはこのためです。

実際に計算してみましょう。ρ＝1000kg/m³、g＝9.8m/s²、r＝1×10⁻⁵m（10μm）、η＝約1.8×10⁻⁵Pa·s を入れると、V＝2×1000×9.8×(1×10⁻⁵)²÷(9×1.8×10⁻⁵)≒0.012m/s となり、約1cm/sです。

ストークスの式が成り立つのは、小さな水滴だけです。水滴が大きくなると空気抵抗の性質が変わり、終端速度の増え方はにぶくなります。さらに大きな雨粒は、空気抵抗で下側が平らにつぶれた形になります。

その結果、雨粒の終端速度は約9m/sで頭打ちになります。また、あまりに大きくなった雨粒は、落ちる途中で分裂してしまいます。

雲の中に大きさのちがう水滴があると、大きな水滴は速く、小さな水滴はゆっくり落ちます。この落ちる速さの差によって、大きな水滴が下にある小さな水滴に追いついてぶつかります（衝突）。ぶつかった水滴がくっついて1つになることを併合といいます。

ただし、小さな水滴がすべてぶつかるわけではありません。大きな水滴のまわりを流れる空気にのって、よけてしまう粒もあります。特に小さすぎる粒はよけやすいので、併合が効率よく進むには、目安として半径20μmくらいより大きな水滴がある程度ふくまれていることが必要です。

大小の差が大きいほど落ちる速さの差も大きくなり、衝突しやすくなります。また、大きな水滴ほど速く落ちて多くの粒を取りこむので、大きくなるほど成長が速くなります。これは、大きくなるほど成長が遅くなる凝結過程とは反対の性質です。

凝結過程で雲粒くらいの大きさまで育ち、その中に少し大きな水滴ができると、そこから併合過程で一気に雨粒まで成長します。海塩粒子のような大きな凝結核（巨大核）は、この「少し大きな水滴」のもとになります。

雨のでき方は、氷がかかわるかどうかで大きく2つに分けられます。

冷たい雨で大切なのがベルジェロン過程（ベルジェロン・フィンダイセン過程）です。同じ温度では、氷に対する飽和水蒸気圧は水に対する値より低くなります。そのため、過冷却水滴と氷晶がまざった雲の中では、水滴が蒸発し、その水蒸気が氷晶にくっついて（昇華して）氷晶だけが速く成長します。